ЗАЖИГАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА.

Воспламенение компонентов, поступивших в камеру сгорания или ЖГГ, - ответственный момент запуска. Особенно усложняется органи­зация воспламенения топлива в двигателях, работающих на несамовоспла­меняющихся компонентах. В этих случаях воспламенение обеспечивается предварительным включением зажигания — специального устройства или блока зажигания, которые должны быть в составе таких двигателей.

Важным параметром воспламенения является так называемая задерж­ка воспламенения — это время τ_с с момента контакта (поступления обо­их компонентов в камеру сгорания или ЖГГ) и до начала интенсивного подъема давления (момента распространения пламени по всему объему камеры сгорания). За это время в камеру сгорания или ЖГГ успевает натечь определенное количество компонентов топлива, которое теперь выгорает.

Задержка воспламенения во многом определяет характер запуска: темп набора давления, возможную перегрузку при выходе на режим. Чем меньше время задержки воспламенения, тем меньше успевает натечь в объем камеры сгорания или ЖГГ компонентов до их воспламенения и тем спокойнее будет характер запуска.

Значение τ_с зависит от нескольких параметров:

химического состава компонентов и их химической активности. Чем химически активнее компоненты, тем меньше время τ_с',

характера смешения поступающих в камеру сгорания первых пор­ций топлива. Чем полнее смешение и ближе коэффициент избытка окис­лителя к единице в смеси топлива, тем меньше задержка его воспламе­нения;

времени опережения поступления окислителя и горючего относитель­но друг друга. При некотором опережении поступления одного из компо­нентов в камеру сгорания или ЖГГ характер запуска может стать более спокойным;

температуры, поступающих первых порций компонентов, а также давления в полости камеры сгорания и ЖГГ в этот момент. Чем меньше тем­пература и меньше давление, тем больше задержка воспламенения и тем "жестче" характер запуска.

Экспериментальной отработке и строгой регламентации параметров и процессов запуска (опережения поступления окислителя и горючего относительно друг друга), процессам втекания компонентов через фор­сунки и их первичному перемешиванию, температуре компонентов, дав­лению в полости камеры сгорания уделяется большое внимание при проек­тировании и доводке двигателя.

При использовании несамовоспламеняющихся компонентов, как уже сказано, их воспламенение производится специальным устройством или блоком зажигания. К настоящему времени разработаны и применяются в эксплуатации много различных схем и способов зажигания несамовос­пламеняющихся компонентов. Рассмотрим некоторые из них, получивших наиболее широкое применение.

Химическое зажигание. Имеются две схемы конструктивного выпол­нения такого зажигания.

Первая схема представлена на рис.20, а. Здесь в трубопроводе го­рючего перед камерой выделен или "врезан" объем, отделенный прорыв­ными мембранами от остальной части трубопровода. Этот объем запол­няется пусковым горючим, которое самовоспламеняется с используемым в двигателе окислителем. Например, при азотнокислотном окислителе — смеси Н N0₃ и N₂0₄ - самовоспламеняющимся компонентом обычно служит смесь триэтиламина (C₂H_s)₃N и ксилидина (CH₃)₂C₆H₃NH₂. При открытии главного клапана горючего, последнее устремляется по тру­бопроводу и заполняет его. При определенном давлении последовательно разрываются обе мембраны, и пусковое горючее первым поступает в ка­меру сгорания и там самовоспламеняется с поступившим окислителем. Поступающий затем расход ос­новного горючего с окислителем зажигается от продуктов сгора­ния пускового горючего с этим же окислителем. Эта схема за­жигания достаточно надежная. Она может использоваться для запуска как малых двигателей, так и больших. Основной ее недостаток — однократность за­пуска.

Рис.20. Схемы химического зажи­гания:

а ~ одноразовая; б - многоразовая; 1 - капсула с самовоспламеняю­щимся компонентом с данным окис­лителем; 2 - газовый аккумулятор давления; 3 — пусковая форсунка

 

 

Вторая схема представлена на рис.20, б. Здесь в составе двигателя имеется специальная пусковая система: бачок с пусковым горючим, ко­торое самовоспламеняется с данным окислителем, система его подачи и трубопровод с клапанами. Обычно трубопровод соединен со специальной пусковой двухкомпонентнои форсункой, расположенной на смесительной головке. Например, при окислителе 0₂ воспламеняющимся с газообразным 0₂ компонентом служит смесь триэтилалюминия (C₂H₅)₃AL и триэтил-бора(С₂Н₅)₃В.

При запуске с открытием главного клапана окислителя открывается и клапан подачи пускового горючего в форсунку. Происходит самовос­пламенение и образование очага горения — запального факела. После пос­тупления в камеру основного горючего, последнее воспламеняется от этого факела. Как только камера вышла на рабочий режим, подача пусково­го горючего прекращается, а пусковая форсунка переключается на пита­ние основным горючим.

Эта схема запуска также надежна. Основное ее достоинство - возмож­ность осуществления многократного запуска в полете. По этой схеме за­пускаются многие двигатели, например, двигатель F-l РН "Сатурн-5". В этом двигателе для зажигания используется смесь, состоящая из 85 % триэтилбора (C₂H_S)₃ В и 15 % триэтилалюминия (C₂H_S)₃AL, которая само­воспламеняется с парами кислорода (в кислородных двигателях первые порции кислорода - газообразные).

Пиротехническое зажигание. Это зажигание может выполняться по двум конструктивным схемам.

Первая схема представлена на рис.21, а и б. В данном случае в ка­меру сгорания со стороны сопла вводится пирозапальное устройство (ПЗУ). Оно состоит из штанги, на конце которой располагается пиротехнический, т.е. твердотопливный патрон — запал. Причем для двигателей первой ступени РН ПЗУ располагается непосредственно

Рис.21. Пиротехнические схемы зажигания. Расположение пирозапального устрой­ства ПЗУ:

а - на стартовом столе; б - на сопловой заглушке; в - на корпусе камеры сгора­ния и корпусе ЖГГ

Рис.22.Электроискровое зажигание:

1-трубопроводы подачи пусковых газообразных компонентов (кислорода и водорода и др.); 2 -блок-форкамера электрозажигания; 3 - электроискровая свеча; 4 — смесительная головка камеры сгорания.

на стартовом столе (см. рис.21, а), а для ижгателей верхних ступеней ПЗУ может укрепляться на заглушке сопла (см. рис.21,б).

Вторая схема приведена на рис.21,в. В отличие от предыдущей схемы здесь пирозапальное устройство представляется в виде специальной пирозапальной камеры, в которой размещается пиротехнический заряд. Пирозапальные камеры располагаются непосредственно на камере и ЖГГ двигателя. Обычно для надежности их устанавливают по две-три штуки.

При запуске в обеих схемах после включения зажигания в камере сгорания и в ЖГГ образуется мощный факел из продуктов сгорания пиротехнического заряда. Этот факел легко воспламеняет смесь основных компонентов, поступающих через смесительную головку в камеру сгора­ния и ЖГГ.

Пиротехническое зажигание работает вполне надежно. Основной его недостаток — однократность запуска. По этой схеме запускается много­камерная двигательная установка РН "Восток".

Электроискровое зажигание используется главным образом при запуске кислородно-водородных двигателей. Одна из схем электроискрового зажигания представлена на рис.22. Здесь в центре смесительной головки и находится гнездо, в котором располагается запальный блок. Есть также конструкции, при которых запальный блок устанавливается сбоку камеры сгорания и ЖГГ.

Запальный блок представляет собой камеру, в которую через форсунки. И поступают газообразные пусковые компоненты — кислород и водо­род. Пусковые порции компонентов поджигаются электроискровой све­чой, установленной в камере пускового блока. Если подобрать определен­ное соотношение и расходы пусковых компонентов, можно получить достаточно мощный поток продуктов сгорания из запальной камеры. Запальный факел надежно воспламеняет основные жидкие компоненты, поступающие через форсунки смесительной головки в камеру сгорания И ЖГГ. Электроискровое зажигание используется в ряде двигателей, на­пример, в двигатель SSME американского ракетоплана "Спейс шаттл".

Недостатками электроискрового зажигания являются: необходимость иметь запас пусковых газообразных компонентов; мощное электропи­тание; ненадежная работа высоковольтной электросистемы в условиях вакуума-, чувствительность электроискровых свечей к отказам в условиях недостаточно чистой "атмосферы" в запальной камере при компонентах, кроме водорода и кислорода. Поэтому поиски и разработка новых прин­ципов и схем зажигания несамовоспламеняющихся компонентов в ЖРД продолжаются.